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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目 12kW 分體式水源
熱泵空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 （系）
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時(shí)間
I
12kW分體式水源熱泵空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)
摘 要
本文簡(jiǎn)要介紹了制冷量為12kW的分體式水源熱泵空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)，并且分析了制冷設(shè)備中制冷循環(huán)的熱力計(jì)算、壓縮機(jī)的選配及校核、蒸發(fā)器、冷凝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算及性能校核，制冷設(shè)備中管路的連接與布置、其他附件的選擇標(biāo)準(zhǔn)及要求、制冷工況的選擇、制冷劑與載冷劑的選擇。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，分析制冷劑選用原則及限制條件并確定R134a為制冷劑，綜合考慮了各種壓縮機(jī)的性能特點(diǎn)并確定了合適的壓縮機(jī)。通過(guò)方案論證確定了合適的冷凝器、蒸發(fā)器以及相關(guān)輔助設(shè)備，并詳細(xì)介紹了熱力計(jì)算、冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算、蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)計(jì)算、節(jié)流機(jī)構(gòu)的選擇計(jì)算以及其他零部件的選擇過(guò)程。
關(guān)鍵詞：水源熱泵；分體式；空氣調(diào)節(jié)；節(jié)能；
12kW分體式水源熱泵空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)
The Split Type Water Source Heat
Pump Air Conditioning Whose
Cooling Capacity Is 12KW
ABSTRACT
This paper introduces the briefly design processes and methods of the split type water source heat pump air conditioning whose cooling capacity is 12KW,and we mainly introduce the thermodynamic calculation in the refrigeration cycle of refrigeration equipment, the matching of the compressor and check, design and calculation of evaporator and condenser and performance check. Besides other accessories, including refrigeration equipment in the selection criteria and requirements of the connection and arrangement of piping, cooling conditions choice, the choice of refrigerant and cooling medium.the selection principle of refrigerant analysis and limitations and determined for refrigerant R134a; Considering the characteristics of the performance of the compressor and determine the appropriate compressor. Through the scheme comparison determined the suitable condenser, evaporator and auxiliary equipment,and introduces the thermodynamic calculation, design and calculation of the condenser,evaporator design calculation,the throttle body choice calculation and the other parts of the selection process.
Keywords: Water source heat pump; Split type; Air conditioning; Energy-saving;
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 水源熱泵技術(shù)介紹 1
1.2 水源熱泵技術(shù)的原理 1
1.3 水源熱泵的分類 2
1.4水源熱泵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 2
1.4.1 高效節(jié)能，運(yùn)行費(fèi)用低 2
1.4.2 運(yùn)用的是可再生能源 3
1.4.3 環(huán)保效益顯著 3
1.4.4 運(yùn)行穩(wěn)定范圍廣泛 3
1.4.5 一機(jī)多用 4
1.4.6 機(jī)房面積小，靈活安全 4
1.4.7 國(guó)家政策的支持 5
1.5 水源熱泵技術(shù)的運(yùn)用 5
1.6 水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用問(wèn)題分析 6
1.6.1 水源熱泵技術(shù)面臨的問(wèn)題 6
1.6.2 水源熱泵對(duì)水源的要求與選擇 7
1.7 分體式空調(diào)的簡(jiǎn)介 8
1.7.1 分體式空調(diào)的定義 8
1.7.2 分體式空調(diào)的優(yōu)缺點(diǎn) 8
1.7.3 分體式空調(diào)的市場(chǎng)狀況 8
2 制冷劑、載冷劑與潤(rùn)滑油的選擇 9
2.1 制冷劑 9
2.1.1 制冷劑的介紹 9
2.1.2 制冷劑的選用原則 10
2.2.1 載冷劑的介紹 11
2.2.2 載冷劑的選擇 11
2.3 潤(rùn)滑油 12
3 制冷系統(tǒng)的熱力計(jì)算 12
3.1 系統(tǒng)工況的設(shè)計(jì) 12
3.2 系統(tǒng)的熱力計(jì)算 13
4 壓縮機(jī)的選型 15
4.1 壓縮機(jī)的類型選定 15
4.2 壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)確定 16
4.3 壓縮機(jī)的型號(hào)選擇 17
4.4 壓縮機(jī)的校核計(jì)算 17
5 冷凝器 19
5.1 冷凝器的類型選定 19
5.1.1冷凝器的分類 19
5.1.2冷凝器的選擇 21
5.2 冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算 21
6 蒸發(fā)器 23
6.1 蒸發(fā)器的類型選定 23
6.2 蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)計(jì)算 25
7 節(jié)流機(jī)構(gòu) 30
7.1 節(jié)流機(jī)構(gòu)的作用 30
7.2 節(jié)流機(jī)構(gòu)的類型 31
7.3 節(jié)流機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 33
7.3.1 節(jié)流機(jī)構(gòu)的選型 33
7.3.2 節(jié)流機(jī)構(gòu)的校核計(jì)算 34
8 輔助設(shè)備的選擇 35
8.1 干燥過(guò)濾器 35
8.1.1 干燥過(guò)濾器的作用及類型 35
8.1.2 干燥過(guò)濾器的選型 36
8.2 油分離器 36
8.3 截止閥 37
8.4 電磁閥 38
8.4.2 電磁閥的選型 39
8.5 單向閥 40
8.6 視液鏡 42
結(jié) 束 語(yǔ) 43
致 謝 44
參考文獻(xiàn) 45
1 緒論
1.1 水源熱泵技術(shù)介紹
水源熱泵是利用地球水所儲(chǔ)藏的太陽(yáng)能資源作為冷、熱源，進(jìn)行轉(zhuǎn)換的空調(diào)技術(shù)。水源熱泵可分為地源熱泵和水環(huán)熱泵。地源熱泵包括地下水熱泵、地表（江、河、湖、海）熱泵、土壤源熱泵；利用自來(lái)水的水源熱泵習(xí)慣上被稱為水環(huán)熱泵。
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，我國(guó)能源消耗也在不斷增加，進(jìn)入二十一世紀(jì)之后我國(guó)的建筑能耗已占社會(huì)總能耗的近三分之一。如何合理地利用不同形式的能源，特別是可再生能源，以滿足日益增長(zhǎng)的建筑耗能需求，成為擺在我們面前亟待解決的問(wèn)題。水源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)[3]。這符合當(dāng)今社會(huì)節(jié)能環(huán)保的要求，提高能源利用率，最大限度的利用有限的能源創(chuàng)造更大的價(jià)值是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。把握好分體式水源熱泵空調(diào)機(jī)組的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展前景也是尤為重要的。
1.2 水源熱泵技術(shù)的原理
地球表面淺層水源（一般在1000米以內(nèi)），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，吸收了太陽(yáng)進(jìn)入地球的相當(dāng)?shù)妮椛淠芰?，并且水源的溫度一般都十分穩(wěn)定。水源熱泵技術(shù)的工作原理就是：通過(guò)輸入少量高品位能源（如電能），實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。水體分別作為冬季熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源，即在夏季將建筑物中的熱量“取”出來(lái)，釋放到水體中去，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，以達(dá)到夏季給建筑物室內(nèi)制冷的目的；而冬季，則是通過(guò)水源熱泵機(jī)組，從水源中“提取”熱能，送到建筑物中采暖。
水源熱泵機(jī)組工作的大致原理是，夏季將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，而冬季，則從水源中提取熱量。
其具體工作原理如下：在制冷模式時(shí)，高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機(jī)出來(lái)進(jìn)入冷凝器，制冷劑向冷卻水（地下水）中放出熱量,形成高溫高壓液體，并使冷卻水水溫升高。制冷劑再經(jīng)過(guò)膨脹閥膨脹成低溫低壓液體，進(jìn)入蒸發(fā)器吸收冷凍水（建筑制冷用水）中的熱量，蒸發(fā)成低壓蒸汽，并使冷凍水水溫降低。低壓制冷劑蒸汽又進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體，如此循環(huán)在蒸發(fā)器中獲得冷凍水。
其具體工作原理如下：在制冷模式時(shí)，高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機(jī)出來(lái)進(jìn)入冷凝器，制冷劑向冷卻水（地下水）中放出熱量,形成高溫高壓液體，并使冷卻水水溫升高。制冷劑再經(jīng)過(guò)膨脹閥膨脹成低溫低壓液體，進(jìn)入蒸發(fā)器吸收冷凍水（建筑制冷用水）中的熱量，蒸發(fā)成低壓蒸汽，并使冷凍水水溫降低。低壓制冷劑蒸汽又進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體，如此循環(huán)在蒸發(fā)器中獲得冷凍水。
1.3 水源熱泵的分類
熱泵系統(tǒng)以花費(fèi)一部分高質(zhì)能為代價(jià)。從自然環(huán)境中獲取能量并連同所花費(fèi)的高質(zhì)能一起向用戶供熱，從而有效地利用了低水平的熱能，是一種高教、節(jié)能、節(jié)資、冷暖兩用、運(yùn)行靈活且無(wú)污染的新型空調(diào)系統(tǒng)。據(jù)ASHRAE Hmldbook：HvAc Applications(1995)的分類。將地?zé)崮苜Y源按溫度范圍不同分為三類．其中地源熱泵應(yīng)用類包括了水源熱泵的兩種方式：地下水源和地表水源熱泵。
1.4 水源熱泵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
水源熱泵技術(shù)通過(guò)消耗部分電能，采集來(lái)自湖水、河水、地下水及地?zé)嵛菜?，甚至工業(yè)廢水、污水的低品位熱能作為空調(diào)機(jī)組的冷、熱源，具有以下很多優(yōu)點(diǎn)：
1.4.1 高效節(jié)能，運(yùn)行費(fèi)用低
我們?cè)谠u(píng)價(jià)熱泵機(jī)組和制冷機(jī)組的性能時(shí)常用到“功效比”一詞，用COP表示，它的定義是系統(tǒng)輸出的功率與所消耗的功率之比。風(fēng)冷熱泵其COP值一般在2.0至3.0之間，而水源熱泵，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在供熱時(shí)COP值可達(dá)3.5至4.0供冷時(shí)活塞式機(jī)組為5.0至5.2，螺桿式機(jī)組可達(dá)6.0，從這一點(diǎn)上看，水源熱泵可以被稱作高效節(jié)能的供冷供熱設(shè)備。水源熱泵在制熱時(shí)所需的地下水即相當(dāng)于鍋爐燃燒的煤或油，而且地下水占熱泵所供熱量的70％～75％，這些熱量所消耗的代價(jià)僅為廉價(jià)的地下水，其成本要大大低于燃油和燃煤。以我市的水源熱泵運(yùn)行狀況來(lái)看，冬季供暖的運(yùn)行費(fèi)用為15元每平方米左右，而熱網(wǎng)供暖為24元每平方米。燃油供暖為35元每平方米左右，因此運(yùn)行費(fèi)用低是水源熱泵的一個(gè)顯著特點(diǎn)。
水源熱泵機(jī)組可利用的水體溫度冬季為12～22℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。而夏季水體溫度為18～35℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風(fēng)冷式和冷卻塔式，從而提高機(jī)組運(yùn)行效率。水源熱泵消耗1kW.h的電量，用戶可以得到4.3～5.0kW.h的熱量或5.4～6.2kW.h的冷量[1]。與空氣源熱泵相比，其運(yùn)行效率要高出20％～60％，運(yùn)行費(fèi)用僅為普通中央空調(diào)的40％～60％。
1.4.2 運(yùn)用的是可再生能源
水源熱泵是利用了地球水體所儲(chǔ)藏的太陽(yáng)能資源作為熱源，利用地球水體自然散熱后的低溫水作為冷源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。其中可以利用的水體，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水體不僅是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47％的太陽(yáng)輻射能量，比人類每年利用能量的500倍還多（地下的水體是通過(guò)土壤間接的接受太陽(yáng)輻射能量），而且是一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發(fā)散的相對(duì)的均衡。這使得利用儲(chǔ)存于其中的近乎無(wú)限的太陽(yáng)能或地能成為可能。所以說(shuō)，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術(shù)。
1.4.3 環(huán)保效益顯著
源熱泵技術(shù)在利用地下水以及地表水源的過(guò)程當(dāng)中，不會(huì)引起區(qū)域性的地下以及地表水污染。實(shí)際上，水源水經(jīng)過(guò)熱泵機(jī)組后，只是交換了熱量，水質(zhì)幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，經(jīng)回灌至地層或重新排入地表水體后，不會(huì)造成對(duì)于原有水源的污染。水源熱泵供熱時(shí)省去了燃煤、燃?xì)狻⑷加偷儒仩t房系統(tǒng)，沒(méi)有燃燒過(guò)程，避免了排煙污染；供冷時(shí)省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音及霉菌污染。不產(chǎn)生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵，減少了環(huán)境污染。水源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40％以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70N以上。水源熱泵制冷劑充灌量比常規(guī)空調(diào)裝置減少25％；又屬自含式系統(tǒng)，因此，制冷劑泄漏機(jī)率大為減少。水源熱泵可以利用的水體，包括地下水和地表水。地表土壤和水體收集了47％的太陽(yáng)輻射能量，比人類每年利用能量的500倍還多，而且是一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)能量平衡系統(tǒng)。所以說(shuō)，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術(shù)。
1.4.4 運(yùn)行穩(wěn)定范圍廣泛
地球表面或淺層水源的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，一般為l0℃～25℃，其波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動(dòng)，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源。水體溫度較恒定的特性，使得水源熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)問(wèn)題。
水源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來(lái)的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對(duì)于同時(shí)有供熱和供冷要求的建筑物，水源熱泵有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設(shè)備可以同時(shí)滿足供熱和供冷的要求，減少了設(shè)備的初投資。其總投資額僅為傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的60％，并且安裝容易，安裝工作量比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)少，安裝工期短，更改安裝也容易。水源熱泵可應(yīng)用于賓館、商場(chǎng)、辦公樓、學(xué)校等建筑，小型的水源熱泵更適合于別墅、住宅小區(qū)的采暖、供冷。
1.4.5 一機(jī)多用
源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設(shè)備可以同時(shí)滿足供熱和供冷的要求，減少了設(shè)備的初投資。由于水源熱泵冬季可向建筑物供暖。夏季可向建筑物供冷，真正做到了一機(jī)兩用，提高了設(shè)備的利用率。從初投資來(lái)看，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)主要熱泵生產(chǎn)廠家的熱泵機(jī)組價(jià)格大致在0．9至1.0元／W之間，而同樣具備一機(jī)兩用的溴化鋰直燃機(jī)的價(jià)格在1.4至1.5元／W，而且水源熱泵機(jī)組無(wú)需設(shè)置冷卻塔及煙氣排放系統(tǒng)，省去了高成本的自來(lái)水，避免了向大氣排放煙塵及有害氣體，因此水源熱泵可稱其為低成本的綠色空調(diào)產(chǎn)品。
1.4.6 機(jī)房面積小，靈活安全
由于熱泵機(jī)組兼有供冷供熱的功能，機(jī)組本身體積較小，因而使機(jī)房面積大
大減小，機(jī)組可靈活地安裝在任何地方，沒(méi)有儲(chǔ)煤、儲(chǔ)油罐等衛(wèi)生及安全隱患，
機(jī)組采用智能化微電腦控制系統(tǒng)，并有備用手動(dòng)操作系統(tǒng)，無(wú)需專業(yè)人員操控，
完善的電腦控制和多重保護(hù)，使整機(jī)運(yùn)行安全可靠。水源熱泵機(jī)組從嚴(yán)寒地區(qū)至熱帶地區(qū)均適用，機(jī)組適用的水源溫度從8℃到35℃均可，既可以提供7℃或50℃的空調(diào)用水，也可以提供同樣溫度的生活熱水；既可以作為城市區(qū)域供熱的熱源使用，也可以為辦公樓、賓館、別墅、居民小區(qū)等提供中央空調(diào)系統(tǒng)。隨著居民生活水平的普遍提高，設(shè)有中央空調(diào)系統(tǒng)的住宅小區(qū)逐漸增多，而對(duì)于這樣的小區(qū)而言，地下水水源熱泵無(wú)疑是較為理想的冷熱源，與采用集中供熱的住宅小區(qū)相比，初投資雖然偏高，但能耗費(fèi)用低，設(shè)有空調(diào)系統(tǒng)小區(qū)內(nèi)的住戶冬暖夏涼，生活品質(zhì)得到改善，住戶可以接受，而且其初投資高出的部分不出數(shù)年已為能耗費(fèi)用的節(jié)省所抵消。隨著住宅分戶供暖方式在全國(guó)的推廣，一些熱泵生產(chǎn)廠又推出了用于每戶使用的戶式水源熱泵機(jī)組，具體應(yīng)用方式為水源熱泵分戶設(shè)置，地下水統(tǒng)一供給，電費(fèi)按每戶的電表計(jì)量收取，水費(fèi)按每戶水表的計(jì)量收取，給物業(yè)管理部門(mén)的收費(fèi)工作提供了方便。
1.4.7 國(guó)家政策的支持
國(guó)家十分重視可再生能源開(kāi)發(fā)利用工作，《中華人民共和國(guó)可再生能源法》已于2006年1月1日起實(shí)施，同時(shí)，在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中，又把大力發(fā)展和規(guī)?；瘧?yīng)用新能源和可再生能源作為能源領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展主題。從國(guó)家立法和發(fā)展戰(zhàn)略的高度，對(duì)可再生能源的發(fā)展應(yīng)用予以強(qiáng)力推動(dòng)。根據(jù)國(guó)家建設(shè)部政策規(guī)定，凡采用水源熱泵空調(diào)技術(shù)的建筑物，通過(guò)向當(dāng)?shù)亟ㄎ陥?bào)，可獲得政府的政策性支持，減免建筑配套費(fèi)用140～200元/。與鍋爐（電、燃料）和空氣源熱泵的供熱系統(tǒng)相比的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：與鍋爐（電、燃料）和空氣源熱泵的供熱系統(tǒng)相比，水源熱泵具明顯的優(yōu)勢(shì)。鍋爐供熱只能將90％～98％的電能或70％～90％的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量；由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40％左右，其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的50％～60％。因此，近十幾年來(lái)，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在北美及中、北歐等國(guó)家取得了較快的發(fā)展，尤其是來(lái)，中國(guó)的水源熱泵市場(chǎng)也日趨活躍，使該項(xiàng)技術(shù)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，成為一種有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)。
1.5 水源熱泵技術(shù)的運(yùn)用
從水源熱泵的市場(chǎng)應(yīng)用看，中國(guó)南方的深圳，廣州到過(guò)渡地區(qū)的上海，南京直到北方采暖地區(qū)的北京，大連等城市的公共建筑（辦公樓，商住樓，商場(chǎng)等），而且住宅建筑上得到了廣泛的應(yīng)用。
我國(guó)早在80年代末就開(kāi)始關(guān)注國(guó)外污水源熱泵技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展。首例城市污水源熱泵系統(tǒng)到2000年才在北京高碑店污水處理廠成功示范。此后，北京、皇島、石家莊等地相繼建成污水源熱泵系統(tǒng)，但上述工程均采用污水廠二級(jí)污水(水質(zhì)好、污雜物含量低)為低位熱源，沒(méi)有解決污水取水過(guò)程中的污雜物堵塞問(wèn)題。真正對(duì)我國(guó)城市污水源熱泵空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展起到重大推動(dòng)作用的研究，是哈爾濱工業(yè)大學(xué)完成的城市原生污水熱能資源化工藝與技術(shù)，該技術(shù)于2003年9月份開(kāi)始應(yīng)用于哈爾濱望江賓館。2007年，在山東諸城華元大廈開(kāi)發(fā)應(yīng)用的太陽(yáng)能輔助污水源熱泵供熱空調(diào)技術(shù)與節(jié)能建筑一體有機(jī)結(jié)合，更是對(duì)太陽(yáng)能技術(shù)、污水源熱泵空調(diào)技術(shù)和建筑節(jié)能技術(shù)綜合應(yīng)用的成功探索。
水源熱泵使用的是電能，電能本身為一種清潔的能源，但在發(fā)電時(shí)，消耗一次能源并導(dǎo)致污染物和CO2溫室氣體的排放。所以節(jié)能的設(shè)備本身的污染就小。設(shè)計(jì)良好的水源熱泵機(jī)組的電力消耗，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少30％以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70％以上。源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術(shù)。其中已有的應(yīng)用實(shí)例為重慶建筑節(jié)能工程，長(zhǎng)沙市酒店等。當(dāng)然不同地區(qū)有不同的需求，水源的基本條件也有不同，但是總體來(lái)說(shuō)，水源熱泵的運(yùn)行效率較高、費(fèi)用較低，還是擁有很好的發(fā)展前景。
1.6 水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用問(wèn)題分析
1.6.1 水源熱泵技術(shù)面臨的問(wèn)題
目前水源熱泵系統(tǒng)的空調(diào)機(jī)組主要存在著以下幾個(gè)方面的不足：（1）受可利用的水源溫度，水量，清潔度等條件的限制；（2）有著水層地理結(jié)構(gòu)復(fù)雜而帶來(lái)的水源的探測(cè)開(kāi)采技術(shù)和費(fèi)用的制約；（3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)或控制不當(dāng)會(huì)降低系統(tǒng)節(jié)能效果或增加初投資；（4）在水源熱泵機(jī)組的推廣方面存在著地域的差異與不平衡性。
與其他熱源相比，水源熱泵系統(tǒng)中防堵塞、防腐蝕、防污染等技術(shù)問(wèn)題才是真正影響系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵，由于原生污水中含有大量的(塑料袋、樹(shù)葉等)雜物的存在，很容易造成設(shè)備與管路的堵塞與污染，利用傳統(tǒng)的過(guò)濾手段與機(jī)械格柵盡管能夠處理這些雜物，但涉及到占地，清理、雜物運(yùn)輸及周邊的環(huán)境污染問(wèn)題，造成實(shí)際無(wú)法操作。并且其處理成本也要遠(yuǎn)高于熱泵從水中取熱與取冷的價(jià)值，這無(wú)疑給城市原生污水源熱泵系統(tǒng)在規(guī)模的運(yùn)用上加大了困難。并且由于地下水質(zhì)的不穩(wěn)定，比如含沙量過(guò)高，或沙質(zhì)過(guò)細(xì)，對(duì)機(jī)組組有極大的破壞作用，甚至出現(xiàn)安裝后無(wú)法正使用而更換主機(jī)。水源熱泵還要用螺桿壓縮機(jī)電制冷，用電量本來(lái)就是理論上相對(duì)較低，但廠家從來(lái)不說(shuō)水源熱泵還須要把地下水抽到地表，使用高達(dá)80~120米的揚(yáng)程泵耗電量從來(lái)不在其宣傳中，其節(jié)能性根本體現(xiàn)不出來(lái)，甚至用電量更大。使用地區(qū)的地下水位過(guò)低，其用電量會(huì)更大。深水泵常年泡在井下,生銹損壞是家常便飯,一旦損壞,就須要架起井架,把管道一節(jié)節(jié)抽出,再抽出泵,一次損壞就須要十多天的維修，地下水位過(guò)高的地區(qū)(距大型湖泊河流近)其地下水回灌是個(gè)更大的問(wèn)題。
1.6.2 水源熱泵對(duì)水源的要求與選擇
水源系統(tǒng)的水量、水溫、水質(zhì)和供水穩(wěn)定性是影響水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效果的重要因素。應(yīng)用水源熱泵時(shí)，對(duì)水源系統(tǒng)的原則要求是：水量充足，水溫適度，水質(zhì)適宜，供水穩(wěn)定。具體說(shuō)，水源的水量，應(yīng)當(dāng)充足夠用，能滿足用戶制熱負(fù)荷或制冷負(fù)荷的需要。如水量不足，機(jī)組的制熱量和制冷量將隨之減少，達(dá)不到用戶要求。水源的水溫應(yīng)適度，適合機(jī)組運(yùn)行工況要求。例如，清華同方SGHP型水源中央空調(diào)系統(tǒng)在制熱運(yùn)行工況時(shí)，水源水溫應(yīng)為12~22℃；在制冷運(yùn)行工況時(shí)，水源水溫應(yīng)為18~30℃。水源的水質(zhì)，應(yīng)適宜于系統(tǒng)機(jī)組、管道和閥門(mén)的材質(zhì)，不至于產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕損壞。水源系統(tǒng)供水保證率要高，供水功能具有長(zhǎng)期可靠性，能保證水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)期和穩(wěn)定運(yùn)行。
再生水源是指人工利用后排放但經(jīng)過(guò)處理的城市生活污水、工業(yè)廢水、礦山廢水、油田廢水和熱電廠冷卻水等水源。自然界中的水分布于大氣圈、地球表面和地殼巖石中，分別稱之為大氣水、地表水和地下水。陸地上的地表水和地下水均來(lái)自于大氣降水[2]。
水源水可以是地下水、地表水、地?zé)嵛菜?、湖水、海水、江河水、城市廢水、工業(yè)廢水等。水源熱泵提取的是水中的能量，因此對(duì)水源水的水質(zhì)、溫度要求比較寬。如果水源水質(zhì)達(dá)不到要求時(shí)，可采取各種處理手段來(lái)滿足水源中央主機(jī)對(duì)水質(zhì)的要求。水源水含砂量較高時(shí)，可在水系統(tǒng)中加裝漩流除砂器，降低水中含砂量，避免機(jī)組和關(guān)發(fā)遭受磨損，除砂器選型可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)處理流量選配型號(hào)和臺(tái)數(shù)。如果工程場(chǎng)地面積較大，也可修建沉淀池除砂。有些水源，特別是地表水混濁度較大，用于回灌時(shí)容易造成管井濾水管和含水層堵塞，影響供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命。對(duì)混濁度大的水源，可以安裝凈水器進(jìn)行過(guò)濾。水源水腐蝕性及硬度都很高的水源，如海水、工業(yè)廢水等。
1.7 分體式空調(diào)的簡(jiǎn)介
1.7.1 分體式空調(diào)的定義
分體式空調(diào)，即“一拖一”，由一臺(tái)室外機(jī)加一臺(tái)室內(nèi)機(jī)組成，室外機(jī)一般置于設(shè)備陽(yáng)臺(tái)上。分體式空調(diào)室內(nèi)機(jī)有壁掛式、立柜式、吊頂式、嵌入式、落地式。家庭用分體式空調(diào)較多。
1.7.2 分體式空調(diào)的優(yōu)缺點(diǎn)
(1)分體式空調(diào)運(yùn)行管理靈活方便。集中式中央空調(diào)只要有1個(gè)末端在用，空調(diào)主機(jī)必須開(kāi)啟。而分體空調(diào)如果只想開(kāi)一個(gè)房間的話，只要開(kāi)啟相應(yīng)房間的空調(diào)設(shè)備，其運(yùn)行電費(fèi)就小于集中式中央空調(diào)。
(2)分體式空調(diào)由于主機(jī)是通過(guò)不斷的開(kāi)啟與關(guān)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)溫的，故空調(diào)效果較差。
(3)分體式空調(diào)只能夏季供冷，而冬季供暖則須另外設(shè)置供暖系統(tǒng)。
(4)分體式空調(diào)不能確保每個(gè)房間均能裝上空調(diào)機(jī)，因分體式空調(diào)機(jī)的室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)的連管一般為3長(zhǎng)，最長(zhǎng)為5，有些房間由于條件所限，室內(nèi)外機(jī)安裝距離難以確保。
(5)分體式空調(diào)無(wú)法送入新風(fēng)，故難以確保空調(diào)房間空氣的新鮮度。而如果通過(guò)開(kāi)門(mén)、窗通風(fēng)換氣，則冷量就會(huì)大量損失，這不僅影響房間溫度，而且浪費(fèi)了能源。
(6)分體式空調(diào)的凝結(jié)水不易處理好。
1.7.3 分體式空調(diào)的市場(chǎng)狀況
在這里我們主要以印度市場(chǎng)近十年的市場(chǎng)變化為例：五年前，窗式空調(diào)占印度空調(diào)市場(chǎng)70％的份額，分體式空調(diào)占30％，而目前情況卻發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。外觀時(shí)尚、噪聲低且性能更高的分體式空調(diào)越來(lái)越受到印度消費(fèi)者的認(rèn)可。從全球家用空調(diào)的使用情況來(lái)看，美國(guó)和日本的使用率90％，中國(guó)城區(qū)為80％，泰國(guó)70％，而印度只有3％[5]。但印度有2億人口,目前，印度正轉(zhuǎn)型成為世界上最有潛力的空調(diào)市場(chǎng)之一，持續(xù)吸引著越來(lái)越多的外國(guó)空調(diào)制造商。日本的大金、Panasonic、三菱電子、東芝開(kāi)利，韓國(guó)的 ，中國(guó)的格力、美的，美國(guó)的開(kāi)利特靈，歐洲的丹佛斯和Clim aveneta等品牌均有突出表現(xiàn)[3]。
因此我們可以看出，雖然分體式空調(diào)與中央空調(diào)相比有有著噪音大，易出故障，難以送入新風(fēng)，凝結(jié)水不好處理等缺點(diǎn)，但卻仍擁有著很高的市場(chǎng)占有率，其發(fā)展前景在一些地區(qū)和國(guó)家尤為良好。
2 制冷劑、載冷劑與潤(rùn)滑油的選擇
2.1 制冷劑
2.1.1 制冷劑的介紹
制冷劑又稱制冷工質(zhì)，在南方一些地區(qū)俗稱雪種。它是在制冷系統(tǒng)中不斷循環(huán)并通過(guò)其本身的狀態(tài)變化以實(shí)現(xiàn)制冷的工作物質(zhì)。制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收被冷卻介質(zhì)（水或空氣等）的熱量而汽化，在冷凝器中將熱量傳遞給周圍空氣或水而冷凝。制冷劑可一般分為：無(wú)機(jī)化合物、有機(jī)化合物、混合工質(zhì)。
我們使用的制冷劑已達(dá)70～80種，并正在不斷發(fā)展增多。但用于食品工業(yè)和空調(diào)制冷的僅十多種。其中被廣泛采用的只有以下幾種：
(1) R-12：制冷劑別名R12、氟利昂12、F-12、CFC-12、二氟二氯甲烷，商品名稱有Freon 12等，名稱二氟二氯甲烷，Dichlorodifluoromethane，分子式CCl2F2。由于R-12屬于CFC類物質(zhì).對(duì)臭氧層有破壞、并且存在溫室效應(yīng)，因此在發(fā)達(dá)國(guó)家和部分發(fā)展中國(guó)家，已經(jīng)停止了在新空調(diào)、制冷設(shè)備上的初裝或舊設(shè)備上的再添加；中國(guó)2007年已停止了R12制冷劑的生產(chǎn)、以及在新制冷空調(diào)設(shè)備上的初裝。
(2) R-134a:制冷劑別名R134a、HFC134a、HFC-134a、四氟乙烷，商品名稱有SUVA134a、Genetron 134a、KLEA 134a等，中文名稱四氟乙烷，化學(xué)名1,1,1,2四氟乙烷，分子式CH2FCF3。由于R-134a屬于HFC類物質(zhì)（非ODS物質(zhì)Ozone-depleting Substances）因此完全不破壞臭氧層，前世界絕大多數(shù)國(guó)家認(rèn)可并推薦使用的環(huán)保制冷劑，也是發(fā)文時(shí)主流的環(huán)保是當(dāng)制冷劑，廣泛用于新制冷空調(diào)設(shè)備上的初裝和維修過(guò)程中的再添加。R-134a作為使用最廣泛的中低溫環(huán)保制冷劑，由于HFC-134a良好的綜合性能，使其成為一種非常有效和安全的CFC-12的替代品，主要應(yīng)用于在使用R-12（R12、氟利昂12、F-12、CFC-12、Freon 12、二氯二氟甲烷）制冷劑的多數(shù)領(lǐng)域，包括：冰箱、冷柜、飲水機(jī)、汽車空調(diào)、中央空調(diào)、除濕機(jī)、冷庫(kù)、商業(yè)制冷、冰水機(jī)、冰淇淋機(jī)、冷凍冷凝機(jī)組等制冷設(shè)備中，同時(shí)還可應(yīng)用于氣霧推進(jìn)劑、醫(yī)用氣霧劑、殺蟲(chóng)藥拋射劑、聚合物（塑料）物理發(fā)泡劑，以及鎂合金保護(hù)氣體等。
(3) R-22:分子式CHClF2，分子量86.47。R-22在常溫下為無(wú)色，近似無(wú)味的氣體，不燃燒、無(wú)腐蝕、毒性極微，加壓可液化為無(wú)色透明的液體，為 HCFC 型制冷劑。
制冷劑：綠色環(huán)保天然工質(zhì)以其無(wú)毒，對(duì)臭氧層無(wú)影響。
2.1.2 制冷劑的選用原則
在蒸汽壓縮式制冷機(jī)中，除了要有較好的熱力性質(zhì)和物理化學(xué)性質(zhì)外，更應(yīng)具有優(yōu)良的環(huán)境特性。具體要求如下：
(1) 對(duì)人類生態(tài)環(huán)境無(wú)破壞作用。不破壞大氣臭氧層，不產(chǎn)生溫室效應(yīng)。
(2) 臨界溫度較高。在常溫或普通低溫下能夠液化。希望臨界溫度比環(huán)境溫度高的多，才能減少制冷劑節(jié)流損失，提高循環(huán)經(jīng)濟(jì)性。
(3) 在工作溫度范圍內(nèi)，具有適當(dāng)?shù)娘柡险羝麎毫?，最起碼蒸發(fā)壓力不得低于大氣壓力，以免外部空氣滲入系統(tǒng)中；冷凝壓力不宜過(guò)高，否則會(huì)引起壓縮機(jī)耗功增加，并要求系統(tǒng)具有較高的承壓能力，增加設(shè)備成本。
(4) 單位容積制冷量大。可以減少壓縮機(jī)輸氣量。
(5) 粘度和密度小。減少系統(tǒng)中流動(dòng)阻力損失。
(6) 熱導(dǎo)率高?？梢蕴岣邠Q熱器的傳熱系數(shù)，減少換熱設(shè)備的傳熱面積降低材料消耗。
(7) 不燃燒，不爆炸，無(wú)毒。對(duì)金屬材料不腐蝕，對(duì)潤(rùn)滑油不發(fā)生化學(xué)作用，高溫下不分解。
(8) 等熵指數(shù)小?？山档团艢鉁囟龋瑴p少壓縮過(guò)程耗功，有利安全運(yùn)行和提高使用壽命。
(9) 凝固溫度低。避免在蒸發(fā)溫度下出現(xiàn)凝固。
(10) 具有良好的絕緣性能。
(11) 價(jià)格低易獲得。
(12) 單位容積壓縮功小。
綜合考慮，在該設(shè)計(jì)中采用R-134a作為水源熱泵系統(tǒng)的制冷劑。R-134a作為使用最廣泛的中低溫環(huán)保制冷劑，由于HFC-134a良好的綜合性能，使其成為一種非常有效和安全的CFC-12的替代品，主要應(yīng)用于在使用R-12制冷劑的多數(shù)領(lǐng)域，包括：冰箱、冷柜、飲水機(jī)、汽車空調(diào)、中央空調(diào)、除濕機(jī)、冷庫(kù)、商業(yè)制冷、冰水機(jī)、冰淇淋機(jī)、冷凍冷凝機(jī)組等制冷設(shè)備中，同時(shí)還可應(yīng)用于氣霧推進(jìn)劑、醫(yī)用氣霧劑、殺蟲(chóng)藥拋射劑、聚合物（塑料）物理發(fā)泡劑，以及鎂合金保護(hù)氣體等。R-134a是目前國(guó)際公認(rèn)的CFC-12最佳的環(huán)保替代品。HFC-134a不含氯原子，對(duì)臭氧層不起破壞作用，具有良好的安全性能（不易燃、不爆炸、無(wú)毒、無(wú)刺激性、無(wú)腐蝕性）；其制冷量與效率與CFC-12非常接近，所以視為優(yōu)秀的長(zhǎng)期替代制冷劑。HFC-134a可廣泛用做汽車空調(diào)，冰箱、中央空調(diào)、商業(yè)制冷等行業(yè)的制冷劑，并可用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、化妝品、清洗行業(yè)。
2.2 載冷劑
2.2.1 載冷劑的介紹
以間接冷卻方式工作的制冷裝置中，將被冷卻物體的熱量傳給正在蒸發(fā)的制冷劑的物質(zhì)稱為載冷劑。載冷劑通常為液體，在傳送熱量過(guò)程中一般不發(fā)生相變。但也有些載冷劑為氣體，或者液固混合物，如二元冰等[4]。
常用的載冷劑有：水、鹽水、乙二醇或丙二醇溶液、二氯甲烷和三氯乙烯，一般不包括一氟二氯甲烷，這個(gè)通常作為制冷劑，只有在直接制冷時(shí)，才使用制冷劑作為載冷劑。直接制冷用大量的制冷劑，制冷劑一般對(duì)環(huán)境的友好程度低，如氟利昂，氨氣等，因此間接制冷是節(jié)能環(huán)保的一種方式。
2.2.2 載冷劑的選擇
選擇載冷劑需考慮以下各點(diǎn)：
(1) 凍結(jié)溫度低，必須低于制冷的操作溫度；
(2) 傳熱分系數(shù)大,即熱導(dǎo)率和熱容要大,而粘度要??；
(3) 性質(zhì)穩(wěn)定，腐蝕性??；
(4) 安全無(wú)毒、價(jià)格低廉；
(5) 價(jià)格便宜，便于獲得。
水的凝固點(diǎn)0℃，標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)100℃，傳熱性能好，流動(dòng)阻力小，無(wú)毒，價(jià)廉，是一種理想載冷劑。在0℃以上的溫度范圍內(nèi)，如空調(diào)系統(tǒng)中，水被廣泛地采用作為載冷劑。但是水的凝固點(diǎn)較高因此水作為載冷劑受到很大的限制。在低溫應(yīng)用場(chǎng)合往往采用水溶液代替水作為載冷劑。因此本裝置采用水作為載冷劑。
2.3 潤(rùn)滑油
潤(rùn)滑油是用在各種類型汽車、機(jī)械設(shè)備上以減少摩擦，保護(hù)機(jī)械及加工件的液體或半固體潤(rùn)滑劑，主要起潤(rùn)滑、冷卻、防銹、清潔、密封和緩沖等作用。
制冷系統(tǒng)中所使用潤(rùn)滑油的選擇主要取決于制冷劑種類、壓縮機(jī)形式和運(yùn)轉(zhuǎn)工況（蒸發(fā)溫度、冷凝溫度）等，一般是使用制冷機(jī)制造廠推薦的牌號(hào)。在選擇潤(rùn)滑油時(shí)，首先要考慮的是該潤(rùn)滑油的低溫性能和對(duì)制冷劑的相溶性。從壓縮機(jī)出來(lái)隨制冷劑一起進(jìn)入蒸發(fā)器的潤(rùn)滑油由于溫度的降低，如果制冷劑對(duì)潤(rùn)滑油的溶解性能不好的話，則潤(rùn)滑油要在蒸發(fā)器傳熱管壁面上形成一層油膜，從而增加熱阻，降低系統(tǒng)性能。從傳熱角度看，應(yīng)該選取與制冷劑互溶性好的潤(rùn)滑油。選擇潤(rùn)滑油除了考慮與制冷劑的互溶性以外，還要考慮潤(rùn)滑油的粘度。一般來(lái)說(shuō)，在較高溫度范圍工作的制冷系統(tǒng)選用粘度較高的潤(rùn)滑油；反之，選用較低粘度的潤(rùn)滑油。運(yùn)動(dòng)速度較高的壓縮機(jī)選用粘度較低的潤(rùn)滑油；反之，選用粘度較高的潤(rùn)滑油[5]。
本制冷系統(tǒng)中采用R134A作為制冷劑，并根據(jù)活塞式壓縮機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，固選用美國(guó)西匹埃CPISolest 68型號(hào)的潤(rùn)滑油。
3 制冷系統(tǒng)的熱力計(jì)算
3.1 系統(tǒng)工況的設(shè)計(jì)
已知制熱工況：進(jìn)水溫度40℃,出水溫度45℃；環(huán)境干球溫度7℃、環(huán)境濕球溫度6℃。制冷工況：制冷量12 kW,進(jìn)水溫度12℃,出水溫度7℃；環(huán)境溫度35℃；控溫精度：±2℃；電源：220 V 50Hz；工質(zhì)：HCFC類或HFC類。
(1) 冷凝溫度的確定
系統(tǒng)以水為冷卻介質(zhì)，冷凝溫度比冷卻水進(jìn)口溫度高約7~14℃，比出口溫度高約2~4℃，綜合考慮，取冷凝溫度=48℃。
(2) 蒸發(fā)溫度的確定
蒸發(fā)溫度是制冷劑液體在蒸發(fā)器中汽化時(shí)的溫度。蒸發(fā)溫度的高低取決于被冷卻物體的溫度，另外蒸發(fā)溫度還與蒸發(fā)器的型式有關(guān)。選用殼管式蒸發(fā)器，蒸發(fā)溫度比冷凍水出口溫度低2~3℃，取=5℃
(3) 過(guò)冷溫度的確定
過(guò)冷度是在一定壓力下冷凝水的溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的差值。它與所采用的制冷劑種類和膨脹閥開(kāi)口大小有關(guān)，開(kāi)口的大小決定了進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑的量，進(jìn)入的量多導(dǎo)致過(guò)冷，進(jìn)入的量少導(dǎo)致過(guò)熱。擬采用殼管式冷凝器。在此情況下，一般過(guò)冷溫度要比冷凝溫度低3~5℃，這里取過(guò)冷度為3℃。即過(guò)冷溫度：
℃ (3-1)
(4) 過(guò)熱溫度的確定
過(guò)熱度(superheat)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)，用于熱力膨脹閥是指低壓側(cè)和感溫包內(nèi)蒸氣之間的溫度差。經(jīng)查閱資料得R134a的過(guò)熱度為9至2℃。取過(guò)熱度為10℃故過(guò)熱溫度為：
℃ (3-2)
3.2 系統(tǒng)的熱力計(jì)算
p (MPa)
3
4
2s
2
0
5
1
h(kJ/kg)
圖3-1 制冷系統(tǒng)壓焓圖
運(yùn)用Solkane計(jì)算軟件計(jì)算熱力循環(huán)各點(diǎn)參數(shù)見(jiàn) 表3-1
表3-1 熱力循環(huán)各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)
p(kPa)
t(℃)
?(/kg)
h(kJ/kg)
s(kJ/kg.k)
0
350
5.00
0.05835
401.37
1.7241
1
350
15.00
0.06137
410.41
1.7560
2s
1253
61.68
0.01759
438.41
1.7560
2
1253
67.97
0.01827
445.42
1.767
3
1253
48.00
0.00090
268.45
1.2273
4
1253
45.00
0.00089
263.9
1.2132
5
350
5.00
0.01041
253.59
1.1931
(1) 單位質(zhì)量制冷量
（3-3）
(2) 單位容積制冷量
（3-4）
(3) 單位理論功
（3-5）
(4) 制冷劑質(zhì)量流量
（3-6）
(5) 壓縮理論功率
（3-7）
取壓縮機(jī)的指示效率，則壓縮機(jī)的指示功率
（3-8）
取壓縮機(jī)的機(jī)械效率，則壓縮機(jī)的軸功率為
(3-9)
(6) 實(shí)際輸氣量
（3-10）
(7) 冷凝器單位熱負(fù)荷
（3-11）
(8) 冷凝器熱負(fù)荷
（3-12）
(9) 壓比
(10) 制冷系數(shù)
(3-13)
(3-14)
(3-15)
(11) 熱力完善度
(3-16)
(12) 能效比
(3-17)
4 壓縮機(jī)的選型
4.1 壓縮機(jī)的類型選定
壓縮機(jī)主要分為活塞式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)等。其中各類壓縮機(jī)的適用范圍如下：
(1) 絕大多數(shù)全封閉活塞式壓縮機(jī)制冷量不超過(guò)0.5kW，主要應(yīng)用于家用電冰箱/冷凍柜和小型商用制冷設(shè)備。
(2) 渦旋式壓縮機(jī)制冷量范圍為0.75～15kW（不包括特殊型號(hào)），并且多數(shù)在3～5kW之間，最多應(yīng)用是在小型家用空調(diào)、商用空調(diào)系統(tǒng)中。此類壓縮機(jī)不用于零下5度的制冷工況。
(3) 離心式制冷壓縮機(jī)主要用于空調(diào)工況的冷水機(jī)組。
(4) 螺桿式壓縮機(jī)單機(jī)制冷量在30kW~1500kW，可用于冷庫(kù)、人造冰場(chǎng)、冷水機(jī)組中。
(5) 半封閉活塞式制冷壓縮機(jī)用途廣泛，單機(jī)制冷量從3kW~100kW，同時(shí)可以多機(jī)頭并聯(lián)使用，因此可提供制冷量范圍從3kW1000kW，多工況使用，既可用于制冷工況，又可以適用于空調(diào)工況。
(6) 開(kāi)啟活塞式制冷壓縮機(jī)只常用于冷庫(kù)，極少數(shù)空調(diào)工況的冷水機(jī)組。
由于本次設(shè)計(jì)的為12kW水源熱泵空調(diào)機(jī)組，綜合制冷設(shè)計(jì)要求、經(jīng)濟(jì)條件、設(shè)備運(yùn)行操作管理等多方面的考慮，此次設(shè)計(jì)宜采用半封閉式活塞式制冷壓縮機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)為：有氣閥的控制，所以拋棄壓力穩(wěn)定，其可達(dá)到的壓力范圍非常寬，單級(jí)壓縮的終壓一般都為0.3~0.5MPa以上、機(jī)器的效率高、排氣范圍、熱效率較高，氣量調(diào)節(jié)時(shí)，其排氣量幾乎不受排氣壓力變動(dòng)的影響；氣量調(diào)節(jié)時(shí)，其排氣量幾乎不受排氣壓力變動(dòng)的影響；氣體的特效對(duì)壓縮機(jī)的工作性能影響不大，同一臺(tái)壓縮機(jī)可以用于不同的氣體；適用范圍廣，既可用于制冷工況，又可以適用于空調(diào)工況。但也有一些缺點(diǎn)，其半封閉活塞式壓縮機(jī)的缺點(diǎn)主要有：構(gòu)復(fù)雜笨重，易損件較多，占地面積較大，設(shè)備投資較高，維修工作量大，實(shí)用周期較短；轉(zhuǎn)速較低，設(shè)備體積大而重；動(dòng)平衡性較差，設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)；排氣連續(xù)但不均勻，氣流有脈動(dòng)現(xiàn)象，很容易引起管道的振動(dòng)[6]。
4.2 壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)確定
由于冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比
(4-1)
所以應(yīng)選用單機(jī)制冷壓縮機(jī)。壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)理論上說(shuō)越多越好，但是實(shí)際上壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)不應(yīng)太多，因?yàn)榧?jí)數(shù)每增加一級(jí)，相應(yīng)的就多增加一套汽缸氣閥等機(jī)件，使壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。壓縮比越大，出口溫度就越高，消耗的功率大，出口溫度也可能會(huì)超過(guò)潤(rùn)滑油的閃點(diǎn)，導(dǎo)致潤(rùn)滑油會(huì)被燒成碳渣。一般情況下，壓縮機(jī)每一級(jí)壓縮比不超過(guò)3至5。
4.3 壓縮機(jī)的型號(hào)選擇
取相對(duì)余隙容積，取排氣終了相對(duì)壓力損失，取多變膨脹過(guò)程指數(shù)，則壓縮機(jī)容積系數(shù)
（4-2）
取吸氣終了相對(duì)壓力損失
（4-3）
則壓力系數(shù)
（4-4）
取泄露系數(shù)，溫度系數(shù)
（4-5）
則壓縮機(jī)容積效率
（4-6）
壓縮機(jī)的理論輸氣量
（4-7）
根據(jù)制冷所需理論輸氣量，初步選定丹佛的半封閉往復(fù)式壓縮機(jī)，其型號(hào)為MTZ125-4，其主要技術(shù)參數(shù)如表4-1所示：
表4-1 MTZ125-4型壓縮機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)
型號(hào)
MTZ125-4
容量級(jí)數(shù)
100%
制冷量(kW)
16.988
電流消耗(A)
10.24
輸入功率(kW)
5.84
質(zhì)量流量（kg/h）
441
冷凝器容量(kW)
19.86
制冷劑
R134a
COP/EER
2.91
4.4 壓縮機(jī)的校核計(jì)算
在確定壓縮機(jī)型號(hào)的情況下，校核壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的制冷量，若壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的制冷量不滿足要求，則重新選定壓縮機(jī)的型號(hào)，再進(jìn)行校核，直到選定的壓縮機(jī)的制冷量滿足設(shè)計(jì)要求后，再進(jìn)行壓縮機(jī)軸功率、壓縮機(jī)配用電機(jī)功率的計(jì)算。
選擇的是MTZ125-4型號(hào)的壓縮機(jī)。
該壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的實(shí)際排氣量：
（4-8）
壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的制冷量：
（4-9）
則所選壓縮機(jī)滿足要求，以下進(jìn)行壓縮機(jī)校核相關(guān)計(jì)算：
等熵比功
（4-10）
壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的理論（等熵）功率：
（4-11）
查圖表，取壓縮機(jī)指示功率，機(jī)械效率，電動(dòng)機(jī)效率，壓縮機(jī)電效率。
因此可得壓縮機(jī)的效率
（4-12）
壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的電功率：
（4-13）
壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的軸功率
（4-14）
壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的配用電動(dòng)機(jī)功率
其中，為傳動(dòng)效率，直聯(lián)時(shí)，；皮帶傳動(dòng)時(shí)，。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用直聯(lián)方式，即取。綜上所述，可選用型號(hào)為MTZ125-4的半封閉往復(fù)式制冷壓縮機(jī)。
5 冷凝器
5.1 冷凝器的類型選定
冷凝器能將管子中的熱量，以很快的方式，傳到管子附近的空氣，大部分汽車上的冷凝器安裝在水箱前面。把氣體或蒸氣轉(zhuǎn)變成液體的裝置。發(fā)電廠要用許多冷凝器使渦輪機(jī)排出的蒸氣得到冷凝；在冷凍廠中用冷凝器來(lái)冷凝氨和氟利昂之類的致冷蒸氣。石油化學(xué)工業(yè)中用冷凝器使烴類及其他化學(xué)蒸氣冷凝。在蒸餾過(guò)程中，把蒸氣轉(zhuǎn)變成液態(tài)的裝置稱為冷凝器。所有的冷凝器都是把氣體或蒸氣的熱量帶走而運(yùn)轉(zhuǎn)的。
5.1.1冷凝器的分類
冷凝器按其冷卻介質(zhì)不同，可分為水冷式、空氣冷卻式、蒸發(fā)式三大類。
（1） 水冷式冷凝器
水冷式冷凝器是以水作為冷卻介質(zhì)，靠水的溫升帶走冷凝熱量。冷卻水一般循環(huán)使用，但系統(tǒng)中需設(shè)有冷卻塔或涼水池。水冷式冷凝器按其結(jié)構(gòu)形式又可分為殼管式冷凝器和套管式冷凝器兩種，常見(jiàn)的是殼管式冷凝器[7]。
(1) 立式冷凝器
此種由一直立的圓筒形外殼，內(nèi)設(shè)有上下管板封閉，而上下管板之間連接著數(shù)根無(wú)縫鋼管。冷卻制冷劑的水從頂部進(jìn)入配水箱中，配水箱內(nèi)裝有能均勻分配進(jìn)入到每根冷卻管水量的導(dǎo)流管嘴，使水能沿著切線方向進(jìn)入管內(nèi)，并以螺旋線狀沿冷卻水管的內(nèi)壁向下流動(dòng)，形成一層水膜，冷卻制冷劑從底部后流人主水池內(nèi)，可通過(guò)涼水設(shè)備循環(huán)使用。而氣體制冷劑約從圓筒中部進(jìn)入筒體，在筒體與冷卻水管之間的縫隙流動(dòng)，與冷卻水進(jìn)行熱交換，被冷凝成高壓液態(tài)制冷劑積存在冷凝器底部流出。
(2) 臥式冷凝器
它與立式冷凝器有相類似的殼體結(jié)構(gòu)，主要區(qū)別在于殼體的水平安放和水的多路流動(dòng)。臥式冷凝器不僅廣泛地用于氨制冷系統(tǒng)，也可以用于氟利昂制冷系統(tǒng)，但其結(jié)構(gòu)略有不同。氨臥式冷凝器的冷卻管采用光滑無(wú)縫鋼管，而氟利昂臥式冷凝器的冷卻管一般采用低肋銅管。這是由于氟利昂放熱系數(shù)較低的緣故。值得注意的是，有的氟利昂制冷機(jī)組一般不設(shè)貯液筒，只采用冷凝器底部少設(shè)幾排管子，兼作貯液筒用。
(3) 套管式冷凝器
制冷劑的蒸氣從上方進(jìn)入內(nèi)外管之間的空腔，在內(nèi)管外表面上冷凝，液體在外管底部依次下流，從下端流入貯液器中。冷卻水從冷凝器的下方進(jìn)入，依次經(jīng)過(guò)各排內(nèi)管從上部流出，與制冷劑呈逆流方式。這種冷凝器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，且因系單管冷凝，介質(zhì)流動(dòng)方向相反，故傳熱效果好，其缺點(diǎn)是金屬消耗量大，而且當(dāng)縱向管數(shù)較多時(shí)，下部的管子充有較多的液體，使傳熱面積不能充分利用。另外緊湊性差，清洗困難，并需大量連接彎頭。因此，這種冷凝器在氨制冷裝置中已很少應(yīng)用。
對(duì)于小型氟利昂空調(diào)機(jī)組仍廣泛使用套管式冷凝器。
（2） 空氣冷卻式冷凝器
空氣冷卻式冷凝器是以空氣作為冷卻介質(zhì)，靠空氣的溫升帶走冷凝熱量的。這種冷凝器適用于極度缺水或無(wú)法供水的場(chǎng)合，常見(jiàn)于小型氟利昂制冷機(jī)組。根據(jù)空氣流動(dòng)方式不同，可分為自然對(duì)流式和強(qiáng)迫對(duì)流式兩種。
（3） 蒸發(fā)式冷卻器
蒸發(fā)式冷凝器的換熱主要是靠冷卻水在空氣中蒸發(fā)吸收氣化潛熱而進(jìn)行的。按空氣流動(dòng)方式可分為吸入式和壓送式。
蒸發(fā)式冷凝器由冷卻管組、給水設(shè)備、通風(fēng)機(jī)、擋水板和箱體等部分組成。冷卻管組為無(wú)縫鋼管彎制成的蛇形盤(pán)管組，裝在薄鋼板制成的長(zhǎng)方形箱體內(nèi)。箱體的兩側(cè)或頂部設(shè)有通風(fēng)機(jī)，箱體底部兼作冷卻水循環(huán)水池。
（4） 淋水至冷凝器
淋水式冷凝器的主要優(yōu)點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便；漏氨時(shí)容易發(fā)現(xiàn)，維修方便；清洗方便；對(duì)水質(zhì)要求低。其主要缺點(diǎn)是：傳熱系數(shù)低；金屬消耗量高；占地面積大。
淋水式冷凝器是靠水的溫升和水在空氣中蒸發(fā)帶走冷凝熱量。這種冷凝器主要用于大、中型氨制冷系統(tǒng)中。它可以露天安裝，也可安裝在冷卻塔的下方，但應(yīng)避免陽(yáng)光直射。
5.1.2冷凝器的選擇
冷凝器是蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)中的主要換熱設(shè)備之一。冷凝器的選型取決于建庫(kù)地區(qū)的水溫、水質(zhì)、水量及氣候條件，也與機(jī)房的布置有關(guān)，有時(shí)還要考慮運(yùn)行費(fèi)用和一次投資的問(wèn)題，本次設(shè)計(jì)的為12kW水源熱泵空調(diào)機(jī)組，制冷量不大。因此綜合考慮，選用氟利昂套管式冷凝器。
5.2 冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算
該設(shè)計(jì)選用氟利昂套管式冷凝器，制冷劑為R134a。
(1) 有關(guān)參數(shù)計(jì)算
℃，℃。則對(duì)數(shù)平均溫度：
℃ （5-1）
選取管內(nèi)流速，管內(nèi)冷卻水污垢系數(shù)，選用的紫銅管扎制的地翅片管為內(nèi)管，且選用如表5-1所示1號(hào)管。
表5-1 幾種低翅片管的結(jié)構(gòu)參數(shù)
序號(hào)
坯管規(guī)格
1
1.25
0.22
1.5
11
12.8
15.8
—
0.15
1.35
2
1.5
0.35
1.5
11
13
16
—
0.13
1.35
3
1.2
0.4
1.35
10.4
12.4
15.1
—
0.14
1.38
4
1.1
0.25
1.5
14
15.9
18.9
—
0.18
1.48
5
1.34
0.25
1.45
14
15.8
18.7
—
0.15
1.46
其管型結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：翅截距。翅厚，翅高、管內(nèi)經(jīng)、翅根管面外徑、翅頂直徑。
每米管長(zhǎng)各有換熱面積分別為
（5-2）
（5-3）
（5-4）
（5-5）
（5-6）
當(dāng)℃、℃時(shí)冷凝負(fù)荷系數(shù)，則冷凝熱負(fù)荷
（5-7）
(2) 確定管內(nèi)根數(shù)
水在平均溫度℃時(shí)，密度，定壓比熱容，則冷卻水的體積流量：
（5-8）
根據(jù)所選管型及管內(nèi)的水速，可得出內(nèi)管的根數(shù)為：
（5-9）
為了套管的加工制造方便，冷凝器采用兩根套管并聯(lián)，每一根套管內(nèi)穿一根低翅片管的結(jié)構(gòu)形式。
(3) 傳熱計(jì)算
先計(jì)算水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，水在℃時(shí)，運(yùn)動(dòng)粘度。因?yàn)槔字Z數(shù)
（5-10）
故水在管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為紊流?？紤]將則，則水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
（5-11）
查得R134a在℃時(shí)物性集合系數(shù)B=1424.9，1號(hào)管增強(qiáng)系數(shù)，取整齊流速影響系數(shù)。套管間R134a冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：
（5-12）
取紫銅管導(dǎo)熱率代入得
（5-13）
用迭代法解方程：
7313.4-1434=24848 （5-14）
當(dāng)℃時(shí)，分別為7046.25和7046.14，相差很小，所以取，則冷凝器所需傳熱面積：
（5-15）
所需低翅片管有效總管長(zhǎng)
（5-16）
采用兩根管并聯(lián)結(jié)構(gòu)，則每根管長(zhǎng)度為7.04m。
(4) 冷凝器整體結(jié)構(gòu)
冷凝器外管采用的無(wú)縫鋼管。將每根套管成型為曲率半徑R=125mm的螺旋盤(pán)管，并使冷凝器的進(jìn)出口端面朝同一方向，每個(gè)螺旋盤(pán)管的高度約0.225m，將兩個(gè)螺旋盤(pán)管疊在一起，則冷凝器的總高約0.45m。
6 蒸發(fā)器
蒸發(fā)器是制冷四大件中很重要的一個(gè)部件，低溫的冷凝“液”體通過(guò)蒸發(fā)器，與外界的空氣進(jìn)行熱交換，“氣”化吸熱，達(dá)到制冷的效果。
6.1 蒸發(fā)器的類型選定
根據(jù)被冷卻介質(zhì)的種類不同，蒸發(fā)器可分為兩大類：卻液體載冷劑的蒸發(fā)器。用于冷卻液體載冷劑——水、鹽水或乙二醇水溶液等。這類蒸發(fā)器常用的有臥式蒸發(fā)器、立管式蒸發(fā)器和螺旋管式蒸發(fā)器等；冷卻空氣的蒸發(fā)器。這類蒸發(fā)器有冷卻排管和冷風(fēng)機(jī)。以下主要介紹空調(diào)系統(tǒng)中常用的冷卻液體載冷劑的蒸發(fā)器。
主要介紹空調(diào)系統(tǒng)中常用的冷卻液體載冷劑的蒸發(fā)器：
(1) 臥式殼管式蒸發(fā)器
臥式殼管式蒸發(fā)器是滿液式蒸發(fā)器。即載冷劑以1～